复旦生化-课件15光合作用

光合作用Photosynthesis由简单前体合成糖18世纪初以前，人们仍然认为植物是从土壤中获取生长发育所需要的全部元素。1727年S.Hales提出植物的营养有一部分可能来自于空气，并且光以某种方式参与此过程。1771年英国牧师、化学家J.Priestley发现将薄荷枝条和燃烧着的蜡烛放在一个密封的钟罩内，蜡烛不易熄灭；将小鼠与绿色植物放在同一钟罩内，小鼠也不易窒息死亡。1776年他提出植物可以“净化”由于燃烧蜡烛和小鼠呼吸弄“坏”的空气。接着，荷兰医生J.Ingenhousz证实，植物只有在光下才能“净化”空气。人们把1771年定为发现光合作用的年代。1782年瑞士的J.Senebier用化学分析方法证明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的产物。1804年N.T.DeSaussure进行了光合作用的第一次定量测定，指出水参与光合作用，植物释放O2的体积大致等于吸收CO2的体积。1864年J.V.Sachs观测到照光的叶片生成淀粉粒，证明了光合作用形成有机物。到了19世纪末，人们写出了光合作用的总反应式：1941年美国科学家S.Ruben和M.D.Kamen通过18O2和C18O2同位素标记实验，证明光合作用中释放的O2来自于H2O。为了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以区别，通常用下式作为光合作用的总反应式：

CO2+2H2O*→(CH2O)+O*2

＋H2OChlorophyll：叶绿素Haemin：氯化血红素瑞士德德美美美英美、英、丹麦德德美光合作用(Photosynthesis)

绿色植物或光合细菌利用太阳的光能把光能转变成化学能，并把CO2转化为有机物的过程。

H2O+CO2(CH2O)+O2

（产氧生物）

2H2D+CO2(CH2O)+H2O+2D（通式）

光合细菌以其它化合物代替水作为电子供体，不产氧。

2H2S+CO2（CH2O）+2S

Lactate+CO2(CH2O)+H2O+CH3COCOOH光能太阳能是生物能量的最初来源

光合有机体吸收光能转变为还原有机物的化学能，是几乎所有生物能量的最初来源。 大量的能量以光合产物的形式被贮存，每年大约有1018KJ的来自太阳的自由能被光合生物所捕获，相当于全球人类每年消耗化石燃料能量的100倍。太阳光能是所有生物能的最初来源光合作用的意义合成有机物，据估计地球上自养植物每年约同化7×1011tCO2，如以葡萄糖计算，每年同化的碳素相当于四五千亿吨有机物质。蓄积太阳能量，把太阳投射到地球表面的一部分辐射能转换为化学能，贮藏在形成的有机物中。据计算绿色植物每年贮存的太阳能量为7.1×10l8kJ，约为全人类日常生活、工业等方面所需能量的100倍。调节大气成分，在光合作用中，绿色植物每年大约向大气释放5.35×1011t氧，它是地球上一切需氧生物生存所必须的氧源。其中一部分转变为臭氧，在大气上层形成屏障吸收强的紫外辐射，保护生物。光反应与暗反应

RobertHill(1939)发现叶绿体照光后产生O2并不需要CO2，把光合作用分为两个阶段：

I、光反应(lightreaction)，需光，光合色素把光能转化为化学能，光解H2O放出O2、并产生ATP和NADPH。

II、暗反应(darkreaction)，不需光，利用光反应的ATP和NADPH将CO2固定、还原为糖或其他有机物的一系列酶促反应。

光反应产生的能量用于暗反应的固定和同化叶绿体(Chloroplast)类囊体膜上分布着许多电子载体蛋白，包括4种细胞色素、质体醌(PQ)、质体蓝素(PC)和铁氧还蛋白(Fd)。类囊体膜的形成大大增加了膜片层的总面积，更有效地收集光能、加速光反应。类囊体膜含有叶绿素，是光合作用的基地。叶绿素(Chlorophylla)叶绿素a和细菌叶绿素是主要色素，其他为辅助色素四个吡咯环组成1个大的卟啉环其他色素(OtherPigments)叶黄素-胡萝卜素藻红素电磁辐射光谱及可见光

光子能量分布叶绿素的吸收光谱吸收红光和蓝光，反射绿光645nm663nm425450光合色素的光吸收Phycoerythrin(PE):藻红蛋白Phycocyanin(PC):藻青蛋白Lutein:叶黄素叶绿素与光反应中心Phycoerythrin(PE):藻红蛋白Phycocyanin(PC):藻青蛋白Allophycocyanin(AP):异藻青蛋白光反应系统(PhotoreactionSystem)

叶绿素分子或/和辅助色素吸收光量子后将光能汇集到一小部分叶绿素分子上，只有这一小部分叶绿素分子能参与光反应将光能转变为化学能，这种由色素分子装配成的系统称为光（反应）系统。 有两类光系统，即PSI,PSII。每个光系统都含有不同的光化学反应中心和天线（色素）分子。

光系统II

(PhotoreactionSystemII,PSII)

包括三个部分：

1．捕获光能的复合体，有200个叶绿素分子和12个跨膜的多肽组成。

2．光反应中心核，有50个叶绿素a分子组成，激发电子的光能就由这些天线分子流入反应中心，又称P680。

3.

产生O2的复合体，即光反应的水裂解酶。水裂解酶内由4个锰离子组成簇，位于催化中心，从S0到S4有5种氧化状态。PhotoreactionSystemII[PSII]

PSII是强氧化剂，通过Z形中间物使锰中心失去四个电子，断裂2H2O得到4个电子，产生O2，释放4个H+。不放O2的光合细菌无PSII，产氧的光合细菌含有PSII。

光系统I(PhotoreactionSystemI)

为跨膜复合物，含13条多肽链，由70个Chla和Chlb组装而成，光反应中心(P700)有130个Chla分子，PSI在700nm附近被激活，不产生O2，与一系列的载体相连，最终产生NADPH。

PSI与PSII互相补充（分别由700nm和680nm激活），前者产生NADPH，后者产生O2。PSIandPSII光系统与ATP光合磷酸化（Photophosphorylation）

由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程。

化学渗透假说可以科学地解释光合磷酸化作用的机制。人为在类囊体膜两侧形成pH梯度，也能产生ATP。

光合作用的质子梯度可以被用于合成ATPCF0-CF1ATP合成酶暗反应DarkReaction卡尔文循环：CalvincycleC3循环、三碳循环暗反应(DarkReaction)

绿色植物和光合细菌通过光合磷酸化作用将光能转变为化学能（即NADPH的还原能和ATP的水解能），并以此促进CO2还原为糖，CO2的固定和还原主要靠卡尔文循环（Calvincycle，又称三碳或碳三循环）。

暗反应(DarkReaction)

MelvinCalvin(1911-1997)(1940年）通过同位素标记[14C-CO2]和双向纸层析技术，发现光合作用最早标记的产物是3-P-甘油酸，进一步研究发现CO2首先与RUBP(1,5-二磷酸核酮糖)缩合为六碳糖，然后迅速裂解为2分子三碳糖（3-P-甘油酸），催化CO2与RUBP缩合反应的酶是Ribulose1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase--rubisco

。

Calvin循环固定和同化6CO2生成1分子葡萄糖消耗18ATP和12NADPH。

RUBP羧化酶[Carboxylase]

叶绿体中催化CO2固定的酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，或称RUBP羧化酶/加氧酶，缩写为rubisco。

Rubisco是植物光合作用的关键酶，为复合物，8个大亚基[Mr56000]，每个含一个活性位点；8个小亚基[Mr14000]，功能还不完全清楚。植物中酶位于叶绿体的基质，占叶绿体总蛋白的60%，是生物圈中最丰富的酶。光合生物二氧化碳同化的三个阶段固定还原受体再生卡尔文循环的受体再生CO2还原生成糖6-P-果糖的合成蔗糖的生物合成卡尔文循环由二氧化碳合成三碳糖需6NADPH和9ATP光反应产生的ATP和NADPH是二氧化碳还原的必需底物暗反应的调节

限速反应是由rubisco催化的CO2的固定反应，酶是别构酶，光照叶绿体产生的三个因素可刺激酶的活性：叶绿体光照后，质子流向类囊体腔，基质pH升高，由7升至8，刺激酶活；光照时质子泵入类囊体腔，伴随Cl-和Mg2+的转移，[Mg2+]升高也刺激酶活；NADPH刺激暗反应，光照PSI时产生NADPH，加速反应活性；叶绿体中几个酶由于二硫键的还原被活化。光呼吸[Photorespiration]植物的绿色细胞在光下消耗氧气，放出二氧化碳的过程称为光呼吸。仅在光下发生，与光合作用密切相关。通常细胞的呼吸在光照和黑暗中都可以进行，对光照没有特殊要求的呼吸--暗呼吸。光呼吸速率比暗呼吸速率高3-5倍。光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸，乙醇酸的产生则以RuBP为底物，催化这一反应的酶是Rubisco，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。其催化方向取决于CO2和O2的分压。当CO2分压高而O2分压低时，RuBP与CO2经羧化活性生成2分子的3-p-甘油酸；反之，则RuBP与O2经加氧生成1分子3-p-甘油酸和1分子磷酸乙醇酸(C2化合物)，后者在磷酸乙醇酸磷酸酶的作用下变成乙醇酸。乙醇酸生成—光呼吸低CO2、高O2RUBP进入过氧化物酶体Gly转氨酶线粒体脱羧酶SerH2O+O2光光呼吸暗呼吸底物在光下由Rubisco加氧反应形成的乙醇酸，底物是新形成的。可以是碳水化合物，脂肪或蛋白质，但最常见的底物是葡萄糖。底物可以是新形成的，也可以是贮存物。代谢途径乙醇酸代谢途径，或称C2途径。糖酵解，三羧酸循环，磷酸戊糖途径。发生部位只发生在光合细胞里，在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三种细胞器协同作用下进行。在所有活细胞的细胞质和线粒体中进行。对O2和CO2

浓度的反应在O2浓度1-100%范围内，光呼吸随氧浓度提高而增强，高浓度的CO2抑制光呼吸。一般而言，O2和CO2浓度对暗呼吸无明显影响。反应部位、条件光下、绿色细胞。光、暗处活细胞。光呼吸的生理作用

光呼吸将光合作用固定的20％-40%的碳变为CO2放出；从能量的角度看，每释放1分子CO2需要消耗6.8个ATP和3个NADPH。显然，光呼吸是一种浪费。

CO2和O2竞争Rubisco的同一活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco催化反应的方向，是进行光合作用还是光呼吸，取决于外界CO2与O2浓度的比值。大气中CO2/O2比值很低，加氧酶活性就不可避免地表现出来。

其主要生理功能如下:1.消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代谢作用，避免了乙醇酸积累，使细胞免受伤害。光呼吸的生理作用[续]2.维持C3途径的运转：在叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持C3途径的运转。3.防止强光对光合机构的破坏：在强光下，光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要，叶绿体NADPH/NADP+的比值增高，最终电子受体NADP+不足，由光激发的高能电子会传递给O2，形成超氧阴离子自由基O2-.，O2-.对光合机构具有伤害作用，而光呼吸可消耗过剩的同化力，减少O2-.的形成，从而保护光合机构。4.氮代谢的补充：光呼吸代谢中涉及多种氨基酸(甘氨酸、丝氨酸等)的形成和转化过程，它对绿色细胞的氮代谢是一个补充。四碳(碳四)途径

(C4二羧酸途径)

1965年，M.D.Hatch和C.R.Slack研究热带和亚热带植物如甘蔗光合作用时发现，标记的CO2首先被标记在苹果酸、草酰乙酸及Asp等四碳二羧酸物质上，命名之，又称Hatch-Slackpathway。后来在玉米、高粱、其他禾本科及莎草科植物中也发现有这一途径。

C4植物的叶肉结构有两类叶绿体进行两类循环，叶肉细胞中进行C4代谢，微管束鞘细胞进行C3循环。叶肉细胞中，PEP羧化酶催化PEP羧化生成OAA（草酰乙酸），再转变为苹果酸或天冬氨酸C4二羧酸从叶肉细胞转移到维管束鞘细胞内脱羧释放CO2，进入C3循环固定C4循环C4循环景天科酸代谢途径[CAM]

干旱地区生长的景天科、仙人掌科等植物特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收CO2，在PEP羧化酶作用下与糖酵解过程中产生的PEP结合形成OAA，OAA在苹果酸脱氢酶